ARM仿真調(diào)試技術(shù)：軟件仿真和硬件仿真

在嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，仿真應(yīng)用的范圍主要集中在對(duì)程序的仿真上。在ARM的開(kāi)發(fā)過(guò)程中，一種最簡(jiǎn)單和原始的開(kāi)發(fā)流程是：編寫(xiě)程序，然后燒寫(xiě)到芯片上驗(yàn)證功能，這種方法對(duì)于簡(jiǎn)單的小系統(tǒng)是可以對(duì)付的，但在大系統(tǒng)中使用這種方法則是完全不可能的。所以很多時(shí)候我們需要在不燒寫(xiě)代碼的情況下調(diào)試程序，這就是仿真調(diào)試技術(shù)。

現(xiàn)代調(diào)試技術(shù)可以分為軟件仿真調(diào)試和硬件仿真調(diào)試兩種：

一．軟件仿真（指令集仿真）：

概念：

用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)描述目標(biāo)機(jī)CPU中各個(gè)寄存器和其他資源（內(nèi)存等），通過(guò)軟件模擬，可以逐條指令解釋執(zhí)行目標(biāo)機(jī)可執(zhí)行映象中的程序。

應(yīng)用場(chǎng)合：

● 當(dāng)嵌入式軟件開(kāi)發(fā)在目標(biāo)硬件平臺(tái)不存在的情況下進(jìn)行，就要使用這種軟件來(lái)模擬目標(biāo)CPU，以驗(yàn)證代碼邏輯。

● 是學(xué)習(xí)嵌入式開(kāi)發(fā)有效地工具，可以讓學(xué)習(xí)者從底層具體硬件細(xì)節(jié)中解脫出來(lái)，專(zhuān)注于軟件，尤其是與具體硬件無(wú)關(guān)的系統(tǒng)軟件（TCP/IP協(xié)議棧）。

幾個(gè)不錯(cuò)的硬件模擬平臺(tái)：

● Skyeye：清華大學(xué)計(jì)算機(jī)系博士后陳渝發(fā)起，開(kāi)源項(xiàng)目，主要模擬ARM內(nèi)核CPU。

● ARMulator：ARM公司推出，ARM指令集模擬器（ADS，Realview MDK上就用這個(gè)）。

● ZIX：一個(gè)快捷高效、功能強(qiáng)大、易于配置的嵌入式Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境。

軟件仿真的缺點(diǎn)：

無(wú)法完全仿真與硬件相關(guān)的部分，最終還要通過(guò)硬件仿真來(lái)完成最終的設(shè)計(jì)。

二．硬件仿真調(diào)試：

以前的芯片沒(méi)有JTAG調(diào)試邏輯，要向仿真它就必須要有專(zhuān)門(mén)的仿真器，這種仿真器成本較高，而且每種芯片都不一樣，現(xiàn)在這種仿真器已經(jīng)不存在了。

現(xiàn)在的芯片一般都內(nèi)置了JTAG調(diào)試邏輯，并不需要CPU仿真器，需要的只是一個(gè)JTAG協(xié)議轉(zhuǎn)接器（現(xiàn)在還稱(chēng)其為仿真器，其實(shí)叫做調(diào)試器比較合適）。所以下面主要介紹JTAG及其仿真技術(shù)。

JTAG簡(jiǎn)介

JTAG是Joint Test Action Group的簡(jiǎn)稱(chēng)，該組織致力于統(tǒng)一芯片的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，它們最初向IEEE提出了IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)，后來(lái)經(jīng)過(guò)IEEE批準(zhǔn)并且標(biāo)準(zhǔn)化，所以IEEE1149.1標(biāo)準(zhǔn)又叫JTAG標(biāo)準(zhǔn)，它是一套芯片測(cè)試接口和標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在幾乎所有的CPU核里面都會(huì)實(shí)現(xiàn)JTAG邏輯單元。JTAG原本是用來(lái)測(cè)試芯片設(shè)計(jì)是否正確，其基本原理就是在芯片的各個(gè)管腳上放置鎖存器，然后串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成移位寄存器，可以監(jiān)控芯片管腳的輸入和輸出。后來(lái)大家發(fā)現(xiàn)用JTAG在線調(diào)試芯片非常方便（其實(shí)就是利用JTAG控制CPU內(nèi)核），還不需要設(shè)計(jì)專(zhuān)門(mén)的仿真芯片，因此就出現(xiàn)了用JTAG調(diào)試風(fēng)行的局面。

邊界掃描技術(shù)（Boundary-Scan）：

JTAG調(diào)試主要就是基于這種邊界掃描技術(shù)。

邊界掃描技術(shù)的基本思想是在靠近芯片的輸入輸出管腳上增加一個(gè)移位寄存器單元。因?yàn)檫@些移位寄存器單元都分布在芯片的邊界上，所以被稱(chēng)為邊界掃描寄存器 （Boundary-Scan Register Cell） 。當(dāng)芯片處于調(diào)試狀態(tài)的時(shí)候，這些邊界掃描寄存器可以將芯片和外圍的輸入輸出隔離開(kāi)來(lái)。通過(guò)這些邊界掃描寄存器單元，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)芯片輸入輸出信號(hào)的觀察和控制。

JTAG的主要作用：

● 檢測(cè)芯片是否良好

■這是JTAG最初設(shè)計(jì)的目標(biāo)

● 鏡像文件的燒寫(xiě)功能

■可以燒寫(xiě)編譯出來(lái)的二進(jìn)制或者十六進(jìn)制可執(zhí)行文件到目標(biāo)板的Flahs芯片上

■當(dāng)開(kāi)發(fā)板為裸板（沒(méi)有固化任何程序）的時(shí)候，通常需要通過(guò)JTAG接口下載bootloader

■調(diào)試功能

■JTAG接口為宿主機(jī)和目標(biāo)系統(tǒng)之間的通信、控制提供了方便的途徑

ARM7TDMI調(diào)試架構(gòu)：

一個(gè)調(diào)試系統(tǒng)通常包含三個(gè)部分：

● 調(diào)試主機(jī)

■是一臺(tái)運(yùn)行調(diào)試軟件（ADS，Keil等）的計(jì)算機(jī)

■可以發(fā)出一些高層的調(diào)試命令，設(shè)置斷點(diǎn)，訪問(wèn)內(nèi)存等

● 協(xié)議轉(zhuǎn)換器

■將調(diào)試主機(jī)發(fā)出的高層調(diào)試命令轉(zhuǎn)換為底層的ARM JTAG調(diào)試命令

■調(diào)試目標(biāo)

■基于目標(biāo)芯片的開(kāi)發(fā)板

ARM7TDMI典型的調(diào)試架構(gòu)如下圖所示：

經(jīng)過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換器進(jìn)行命令解釋?zhuān)鳈C(jī)上運(yùn)行的調(diào)試軟件就可以通過(guò)JTAG接口直接和目標(biāo)芯片對(duì)話了。

為了支持底層的調(diào)試，ARM7TDMI提供了硬件上的調(diào)試擴(kuò)展，包括：

● 停止程序的運(yùn)行

● 檢查和修改ARM7TDMI的內(nèi)核狀態(tài)

● 觀察和修改內(nèi)存

● 恢復(fù)程序的運(yùn)行

常見(jiàn)ARM調(diào)試工具：

● BDI1000/2000/3000

■非常好的調(diào)試工具，可以調(diào)試ARM、MIPS、PowerPC、Xscale等多種架構(gòu)處理器

■JTAG下載速度可以上兆，以太網(wǎng)接口

■性能優(yōu)越但是價(jià)格不菲，可以調(diào)試Linux內(nèi)核這種復(fù)雜的代碼

● U-Link

■U-Link是Keil公司做的用于ARM和某些增強(qiáng)型8051單片機(jī)調(diào)試的工具

■由于Keil公司做的時(shí)候沒(méi)有加密，導(dǎo)致現(xiàn)在盜版滿天飛

■U-link僅僅支持Keil，JTAG下載速度20K~30K

U-Link下載程序不是簡(jiǎn)單通過(guò)JTAG，而是先用JTAG下載一段固件程序到目標(biāo)板，然后再用這個(gè)固件程序和JTAG把用戶代碼寫(xiě)入Flash以提高速度

● J-Link

■J-Link是IAR公司為ARM芯片開(kāi)發(fā)的調(diào)試工具

■支持RDI協(xié)議的調(diào)試工具，如Keil、ADS、IAR等

■J-Link不支持ARM10以上的內(nèi)核

■JTAG下載速度400K~500K

● Multi-ICE

■ARM公司原創(chuàng)調(diào)試工具，支持全系列ARM芯片

■JTAG下載速度130K左右

● Wiggler電纜

■Wiggler是世界上最泛濫的一種調(diào)試工具

■結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單：一片74HC244 + 一個(gè)9013 + 幾個(gè)電阻

■性能一般，但是價(jià)格非常便宜

■后人又在Wiggler的硬件基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了很多的調(diào)試工具，例如大名鼎鼎的H-Jtag